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來源:品味生活
發佈於 2012-06-25 15:26
牛頓
本帖最後由 常樂 於 12-06-25 15:28 編輯
艾薩克·牛頓爵士,FRS(Sir Isaac Newton,1643年1月4日-1727年3月31日,英語發音<ˈaɪzæk ˈnjutən>)< 儒略曆:1642年12月25日-1727年3月20日> 是一位英格蘭物理學家、數學家、天文學家、自然哲學家和鍊金術士。他在1687年發表的論文《自然哲學的數學原理》裡,對萬有引力和三大運動定律進行了描述。這些描述奠定了此後三個世紀裡物理世界的科學觀點,並成為了現代工程學的基礎。他通過論證克卜勒行星運動定律與他的重力理論間的一致性,展示了地面物體與天體的運動都遵循著相同的自然定律;為太陽中心說提供了強有力的理論支持,並推動了科學革命。
在力學上,牛頓闡明了動量和角動量守恆的原理。在光學上,他發明了反射式望遠鏡,並基於對三稜鏡將白光發散成可見光譜的觀察,發展出了顏色理論。他還系統地表述了冷卻定律,並研究了音速。
在數學上,牛頓與戈特弗里德·萊布尼茨分享了發展出微積分學的榮譽。他也證明了廣義二項式定理,提出了「牛頓法」以趨近函數的零點,並為冪級數的研究作出了貢獻。
在2005年,英國皇家學會進行了一場「誰是科學史上最有影響力的人」的民意調查,在被調查的皇家學會院士和網民投票中,牛頓被認為比阿爾伯特·愛因斯坦更具影響力。
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生平
1643年1月4日(按照現行公曆),艾薩克·牛頓出生於英國英格蘭東密德蘭林肯郡南凱斯蒂文埃爾斯索普的埃爾斯索普莊園。牛頓出生前三個月,他同樣名為艾薩克的父親才剛去世。由於早產的緣故,新生的牛頓十分瘦小;據傳聞,他的母親漢娜·艾斯庫曾說過,牛頓剛出生時小得可以把他裝進一夸脫的馬克杯中。當牛頓3歲時,他的母親改嫁並住進了新丈夫巴納巴斯·史密斯牧師位於北威特姆的家,而把牛頓託付給了他的外祖母瑪傑里·艾斯庫。年幼的牛頓不喜歡他的繼父,並因母親嫁給他的事而對母親持有一些敵意,牛頓甚至曾經寫下:「威脅我的繼父與生母,要把他們連同房子一齊燒掉。」
從12歲左右到17歲,牛頓都在國王中學學習,在該校圖書館的窗台上還可以看見他當年的簽名。他曾從學校退學,並在1659年10月回到埃爾斯索普,因為他再度守寡的母親想讓牛頓當一名農夫。牛頓雖然順從了母親的意思,但據牛頓的同儕後來的敘述,耕作工作讓牛頓相當不快樂。所幸國王中學的校長亨利·斯托克斯說服了牛頓的母親,牛頓又被送回了學校以完成他的學業。他在18歲時完成了中學的學業,並得到了一份完美的畢業報告。
1661年6月,他進入了劍橋大學的三一學院。在那時,該學院的教學基於亞里士多德的學說,但牛頓更喜歡閱讀一些勒奈·笛卡兒等現代哲學家以及伽利略·伽利萊、尼古拉·哥白尼和約翰內斯·克卜勒等天文學家更先進的思想。1665年,他發現了廣義二項式定理,並開始發展一套新的數學理論,也就是後來為世人所熟知的微積分學。在1665年,牛頓獲得了學位,而大學為了預防倫敦大瘟疫而關閉了。在此後兩年裡,牛頓在家中繼續研究微積分學、光學和萬有引力定律。
數學
大多數現代歷史學家都相信,牛頓與萊布尼茨獨立發展出了微積分學,並為之創造了各自獨特的符號。根據牛頓周圍的人所述,牛頓要比萊布尼茨早幾年得出他的方法,但在1693年以前他幾乎沒有發表任何內容,並直至1704年他才給出了其完整的敘述。其間,萊布尼茨已在1684年發表了他的方法的完整敘述。此外,萊布尼茨的符號和「微分法」被歐洲大陸全面地採用,在大約1820年以後,英國最終採用了該方法,而之前英國出於各種原因是僅有使用牛頓的微積分體系的國家。萊布尼茨的筆記本記錄了他的思想從初期到成熟的發展過程,而在牛頓已知的記錄中只發現了他最終的結果。牛頓聲稱他一直不願公布他的微積分學,是因為他怕被人們嘲笑。牛頓與瑞士數學家尼古拉·法西奧·德丟列(Nicolas Fatio de Duillier)的聯繫十分密切,後者一開始便被牛頓的重力定律所吸引。1691年,德丟列打算編寫一個新版本的牛頓《自然哲學的數學原理》,但從未完成它。在1694年這兩個人之間的關係冷卻了下來。在那個時候,德丟列還與萊布尼茨交換了幾封信件。
在1699年初,皇家學會(牛頓也是其中的一員)的其他成員們指控萊布尼茨剽竊了牛頓的成果,爭論在1711年全面爆發了。牛頓所在的英國皇家學會宣布,一項調查表明了牛頓才是真正的發現者,而萊布尼茨被斥為騙子。但在後來,發現該調查評論萊布尼茨的結語是由牛頓本人書寫,因此該調查遭到了質疑。這導致了激烈的牛頓與萊布尼茨的微積分學論戰,並破壞了牛頓與萊布尼茨的生活,直到後者在1716年逝世。
牛頓的一項被廣泛認可的成就是廣義二項式定理,它適用於任何冪。他發現了牛頓恆等式、牛頓法,分類了立方面曲線(兩變數的三次多項式),為有限差理論作出了重大貢獻,並首次使用了分式指數和坐標幾何學得到丟番圖方程式的解。他用對數趨近了調和級數的部分和(這是歐拉求和公式的一個先驅),並首次有把握地使用冪級數和反轉(revert)冪級數。他還發現了π的一個新公式。
他在1669年被授予盧卡斯數學教授席位。在那一天以前,劍橋或牛津的所有成員都是經過任命的聖公會牧師。不過,盧卡斯教授之職的條件要求其持有者不得活躍於教堂(大概是如此可讓持有者把更多時間用於科學研究上)。牛頓認為應免除他擔任神職工作的條件,這需要查理二世的許可,後者接受了牛頓的意見。這樣避免了牛頓的宗教觀點與聖公會信仰之間的衝突。
光學
從1670年到1672年,牛頓負責講授光學。在此期間,他研究了光的折射,表明稜鏡可以將白光發散為彩色光譜,而透鏡和第二個稜鏡可以將彩色光譜重組為白光。
他還通過分離出單色的光束,並將其照射到不同的物體上的實驗,發現了色光不會改變自身的性質。牛頓還注意到,無論是反射、散射或發射,色光都會保持同樣的顏色。因此,我們觀察到的顏色是物體與特定有色光相合的結果,不是物體產生顏色的結果。
從這項工作中,他得出了如下結論:任何折射式望遠鏡都會受到光散射成不同顏色的影響,並因此發明了反射式望遠鏡(現稱作牛頓式反射望遠鏡)來迴避這個問題。他自己打磨鏡片,使用牛頓環來檢驗鏡片的光學品質,製造出了優於折射式望遠鏡的儀器,而這都主要歸功於其大直徑的鏡片。1671年,他在皇家學會上展示了自己的反射式望遠鏡。皇家學會的興趣鼓勵了牛頓發表他關於色彩的筆記,這在後來擴大為《光學》一書。但當羅伯特·虎克批評了牛頓的某些觀點後,牛頓對其很不滿並退出了辯論會。兩人自此以後成為了敵人,這一直持續到虎克去世。
牛頓認為光是由粒子或微粒組成的,並會因加速通過光密介質而折射,但他也不得不將它們與波聯繫起來,以解釋光的繞射現象。而其後世的物理學家們則更加偏愛以純粹的光波來解釋繞射現象。現代的量子力學、光子以及波粒二象性的思想與牛頓對光的理解只有很小的相同點。
在1675年的著作《解釋光屬性的解說》中,牛頓假定了以太的存在,認為粒子間力的傳遞是透過以太進行的。不過牛頓在與神智學家亨利·莫爾接觸後重新燃起了對鍊金術的興趣,並改用源於赫密斯神智學中粒子相吸互斥思想的神秘力量來解釋,替換了先前假設以太存在的看法。擁有許多牛頓鍊金術著作的經濟學大師約翰·梅納德·凱恩斯曾說:「牛頓不是理性時代的第一人,他是最後的一位鍊金術士。」 但牛頓對鍊金術的興趣卻與他對科學的貢獻息息相關,而且在那個時代鍊金術與科學也還沒有明確的區別。如果他沒有依靠神秘學思想來解釋穿過真空的超距作用,他可能也不會發展出他的重力理論。
1704年,牛頓著成《光學》,其中他詳述了光的粒子理論。他認為光是由非常微小的微粒組成的,而普通物質是由較粗微粒組成,並推測如果通過某種鍊金術的轉化「難道物質和光不能互相轉變嗎?物質不可能由進入其結構中的光粒子得到主要的動力(Activity)嗎?牛頓還使用玻璃球製造了原始形式的摩擦靜電發電機。
力學和重力
1679年,牛頓重新回到力學的研究中:重力及其對行星軌道的作用、克卜勒的行星運動定律、與虎克和弗拉姆斯蒂德在力學上的討論。他將自己的成果歸結在《物體在軌道中之運動》(1684)一書中,該書中包含有初步的、後來在《自然哲學的數學原理》中形成的運動定律。
《自然哲學的數學原理》(現常簡稱作《原理》)在埃德蒙·哈雷的鼓勵和支持下於1687年7月5日出版。該書中牛頓闡述了其後兩百年間都被視作真理的三大運動定律。牛頓使用拉丁單詞「gravitas」(沉重)來為現今的重力命名,並定義了萬有引力定律。在這本書中,他還基於波義耳定律提出了首個分析測定空氣中音速的方法。